1．引言

    能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有能源工業(yè)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代文明。人類為了更有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。歷*利用能源的方式有過多次革命性的變革，從原始的蒸汽機(jī)到汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，每一次能源利用方式的變革都極大地推進(jìn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展。  

    隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。一是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必需首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地?fù)p失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。對(duì)于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級(jí)，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)組，開發(fā)出了流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，但這種努力的結(jié)果是：機(jī)組規(guī)模巨大、超高壓遠(yuǎn)距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒有得到根本解決。多年來人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式。這就是燃料電池發(fā)電技術(shù)。  

    1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡(jiǎn)單的氫氧燃料電池點(diǎn)亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機(jī)和電極過程動(dòng)力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，兆瓦級(jí)的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。  

    燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)*地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。  

    大型電站，火力發(fā)電由于機(jī)組的規(guī)模足夠大才能獲得令人滿意的效率，但裝有巨型機(jī)組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼進(jìn)用戶，因此只好集中發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。但是機(jī)組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)戶戶的需要，電網(wǎng)隨用戶的用電負(fù)荷變化有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷。為了適應(yīng)用電負(fù)荷的變化只好備用一部分機(jī)組或修建抽水蓄能電站來應(yīng)急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價(jià)的。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活。  

    燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。能源界預(yù)測(cè)，燃料電池是21世紀(jì)有吸引力的發(fā)電方法之一。我國人均能源資源貧乏，在目前電網(wǎng)由主要缺少電量轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕鄙傧到y(tǒng)備用容量、調(diào)峰能力、電網(wǎng)建設(shè)滯后和傳統(tǒng)的發(fā)電方式污染嚴(yán)重的情況下，研究和開發(fā)微型化燃料電池發(fā)電具有重要意義，這種發(fā)電方式與傳統(tǒng)的大型機(jī)組、大電網(wǎng)相結(jié)合將給我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。  

2. 燃料電池的特點(diǎn)與原理

    由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：  

    不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率； 
    不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率； 
    具有很強(qiáng)的過負(fù)載能力；  
    通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛； 
    發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機(jī)組的容量的自由度大；  
    電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式； 
    用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。  
    如此由燃料電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力工業(yè)具有極大的吸引力。  

    燃料電池按其工作溫度是不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料電池（SOFC，工作溫度為1000℃）稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把PAFC稱為代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃?xì)怏w作為其發(fā)電用的燃料。  

    燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。 

氫-氧燃料電池反應(yīng)原理

這個(gè)反映是電觧水的逆過程。電極應(yīng)為：
負(fù)極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-
正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-
電池反應(yīng)：H2 + 1/2O2==H2O

    另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。  

    燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。  

    在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：  

    燃料極：H2 =2H+ + 2e- （1） 

    空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）  

    全體：H2+1/2O2 = H2O （3） 

氫氧燃料電池組成和反應(yīng)循環(huán)圖

    在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e- 經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e- 不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2 所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。  

    引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。  

單電極組裝示意圖

    PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進(jìn)反應(yīng)，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO 量，特別是對(duì)于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。 

 
磷酸型燃料電池基本組成和反應(yīng)原理

    磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。  

    相對(duì)PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應(yīng)用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。  

    MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃ 的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。 

    MCFC工作原理。空氣極的O2（空氣）和CO2 與電相結(jié)合，生成CO23- （碳酸離子），電解質(zhì)將CO23-移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H+ 相結(jié)合，放出e-，同時(shí)生成H2O和CO2 。化學(xué)反應(yīng)式如下：  

    燃料極：H2 + CO23- = H2O+2e- + CO2 （4） 
    空氣極：CO2 + 1/2O2 +2e-=CO23- （5）  
    全 體：H2 + 1/2O2 =H2O （6） 

    在這一反應(yīng)中，e- 同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e- 在外部回路中不間斷的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的大特點(diǎn)是，必須要有有助于反應(yīng)的CO23-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4 在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部直接生成H2 的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO 和H2O反應(yīng)生成H2，因此，可以等價(jià)地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。  

    SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2 (氧化鋯)，它構(gòu)成了O2- 的導(dǎo)電體Y 2O3 （氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3 (氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3 (氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型。SOFC的反應(yīng)式如下：  

    燃料極：H2 + O2- = H2O + 2e- （7） 
    空氣極：1/2O2 + 2e- =O2- （8） 
    全 體：H2 + 1/2O2 =H2O （9） 

    燃料極，H2 經(jīng)電解質(zhì)而移動(dòng)，與O2- 反應(yīng)生成H2O和e-。空氣極由O2和e- 生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2 和O2 生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4 改質(zhì)成H2 加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。 

表1 燃料電池的分類

類型 磷酸型燃料電池（PAFC） 熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC） 體氧化物型燃料電池（SOFC） 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 燃料 煤氣、天然氣、甲醇等 煤氣、天然氣、甲醇等 煤氣、天然氣、甲醇等 chunH2、天然氣 電解質(zhì) 磷酸水溶液 KliCO3溶鹽 ZrO2-Y2O3(YSZ) 離子(Na離子) 電極 陽極 多孔質(zhì)石墨(Pt催化劑) 多孔質(zhì)鎳(不要Pt催化劑) Ni-ZrO2金屬陶瓷(不要Pt催化劑) 多孔質(zhì)石墨或Ni(Pt催化劑) 陰極 含Pt催化劑+多孔質(zhì)石墨+Tefion 多孔NiO（摻鋰） LaXSr1-XMn(Co)O3 多孔質(zhì)石墨或Ni(Pt催化劑) 工作溫度 ~200℃ ~650℃ 800~1000℃   ~100℃     近20多年來，燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料電池的研究和應(yīng)用正以極快的速度在發(fā)展。AFC已在宇航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，PEMFC已廣泛作為交通動(dòng)力和小型電源裝置來應(yīng)用，PAFC作為中型電源應(yīng)用進(jìn)入了商業(yè)化階段，MCFC也已完成工業(yè)試驗(yàn)階段，起步較晚的作為發(fā)電有應(yīng)用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數(shù)千小時(shí)的工作考核，相信隨著研究的深入還會(huì)有新的燃料電池出現(xiàn)。  

    美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質(zhì)子交換膜燃料電池電廠作為示范。日本已開發(fā)了數(shù)種燃料電池發(fā)電裝置供公共電力部門使用，其中磷酸燃料電池（PAFC）已達(dá)到"電站"階段。已建成兆瓦級(jí)燃料電池示范電站進(jìn)行試驗(yàn)，已就其效率、可運(yùn)行性和壽命進(jìn)行了評(píng)估，期望應(yīng)用于城市能源中心或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。日本同時(shí)建造的小型燃料電池發(fā)電裝置，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、飯店、賓館等。  

3． 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

3.1. 利用天然氣的發(fā)電系統(tǒng)

    MCFC需要供給的燃料氣體是H2，它可由天然氣中的CH4 改質(zhì)生成，其反應(yīng)在改質(zhì)器中進(jìn)行。改質(zhì)器出口的溫度為600℃，符合MCFC的工作溫度，可以原樣直接輸送到燃料極側(cè)。     另一方面，空氣極側(cè)需要的O2通過空氣壓縮機(jī)供給。另一個(gè)反應(yīng)因素CO2，空氣極側(cè)反應(yīng)等量地再利用發(fā)電時(shí)燃料極產(chǎn)生的CO2。除了有CO2 外，燃料極排出氣體還含有未反應(yīng)的可燃成份，一起輸送到改質(zhì)器的燃燒器側(cè)，天然氣改質(zhì)所必需的熱量就由該燃燒熱供給。這種情況下，排出的燃料氣體會(huì)含有過多的H2O，將影響發(fā)熱量，為此通常是先將排出燃料氣體冷卻，將水份濾去后再輸送到改質(zhì)器的燃燒側(cè)。從改質(zhì)器燃燒側(cè)出來的氣體與來自壓縮機(jī)的空氣相混合后供給空氣極側(cè)。  
    實(shí)際的電池因內(nèi)部存在電阻會(huì)發(fā)熱，故通過在空氣極側(cè)中流過的大量氧化氣體（陰極氣體，即含有O2、CO2 的氣體）來除去其發(fā)生的熱。通常是按600℃供給的氣體在700℃下排出，這一指標(biāo)可通過在空氣極側(cè)進(jìn)行流量調(diào)整來控制，為此采用陰極氣體的再循環(huán)，即，空氣極側(cè)供給的氣體為以改質(zhì)器燃燒排氣與部分空氣極側(cè)排出氣體的混合體，為了保持電池入口和出口的溫度為jia溫度，可將再循環(huán)流量與外部供給的空氣流量一起調(diào)整。   
    來自空氣極側(cè)的排氣為高溫，送入終的膨脹式透平，進(jìn)行動(dòng)力回收，作為空氣壓縮動(dòng)力而應(yīng)用。剩余的動(dòng)力，由發(fā)電機(jī)發(fā)電回收，從而可以提高整套系統(tǒng)的效率。另外，天然氣改質(zhì)所必需的H2O（水蒸汽）可從排出的燃料氣體中回收的H2O來供給。  

    這種系統(tǒng)的效率可達(dá)55~60%。在整套出力中MCFC發(fā)電量份額占90%。絕大部分的發(fā)電量是由MCFC生產(chǎn)的。如果考慮到排氣形成的動(dòng)力回收和若干的附加發(fā)電，廣義上也可以稱為聯(lián)合發(fā)電。  

    在使用PAFC的情況下，若以煤炭為燃料發(fā)電時(shí)就不容易了，采用天然氣時(shí)，其構(gòu)成類似于MCFC機(jī)組，基本上是由電池本體發(fā)電。原因是PAFC排出氣體溫度較低，與其進(jìn)行附加發(fā)電不如作為熱電聯(lián)產(chǎn)電源。  

    SOFC能和較高溫度的排氣體構(gòu)成附加發(fā)電系統(tǒng)，由于SOFC不需要CO2 的再循環(huán)等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其發(fā)電效率可以達(dá)到50~60%。  

3.2 利用煤炭的發(fā)電系統(tǒng)

    以MCFC為例進(jìn)行介紹。煤炭需經(jīng)煤氣化裝置生成作為MCFC可用燃料的CO及H2，并在進(jìn)入 MCFC前除去其中含有的雜質(zhì)（微量的雜質(zhì)就會(huì)構(gòu)成對(duì)MCFC的惡劣影響），這種供給MCFC精制煤氣，其壓力通常高于MCFC的工作壓力，在進(jìn)入MCFC供氣前先經(jīng)膨脹式渦輪機(jī)回收其動(dòng)力。渦輪機(jī)出口氣體，經(jīng)與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約700℃）相混合，調(diào)整為對(duì)電池的適宜溫度（約600℃）。該陽極氣體的再循環(huán)是，將排出的燃料氣體中所含的未反應(yīng)的燃料成分返回入口加以再利用，借以達(dá)到提高燃料的利用率。向空氣極側(cè)供給O2和CO2是通過空氣壓縮機(jī)輸出的空氣和排出燃料氣體相混合來完成的。但是，碳酸氣是采用觸媒燃燒器將未燃的H2 及CO變換成H2O和CO2后供給的。  

    實(shí)際的燃料電池，內(nèi)部電阻會(huì)發(fā)熱，將通過在空氣極側(cè)流過的大量的氧化劑氣體（陰極氣體，即含有O2和CO2的氣體）而除去。通常通過調(diào)整空氣極側(cè)的流量，把以600℃供給的氣體在700℃排出。為此采用了陰極氣體再循環(huán)，使空氣極側(cè)的排氣形成約700℃的高溫。因此，在這個(gè)循環(huán)回路中設(shè)置了熱交換器，將氣體溫度冷卻到600℃，形成電池入口適宜的溫度，與來自觸媒燃燒器的供給氣體相混合。空氣極側(cè)的出入口溫度，取決于再循環(huán)和來自壓縮機(jī)的供給空氣流量和再循環(huán)回路中的熱交換量。  

    排熱回收系統(tǒng)（末級(jí)循環(huán)），是由利用空氣極側(cè)排氣的膨脹式渦輪機(jī)和利用蒸汽的汽輪機(jī)發(fā)電來構(gòu)成。膨脹式渦輪機(jī)與壓縮機(jī)的相組合，其剩余動(dòng)力用于發(fā)電。蒸汽是由來自其下流的熱回收和煤氣化裝置以及陰極氣體再循環(huán)回路中的蒸汽發(fā)生器之間的組合產(chǎn)生，形成汽水循環(huán)。  

    這種機(jī)組的發(fā)電效率，因煤氣化方式和煤氣精制方式等的不同而有若干差異。利用煤系統(tǒng)SOFC其構(gòu)成是復(fù)雜的。但若用管道氣就簡(jiǎn)單多了，主要的是采用煤炭氣化系統(tǒng)造成的，其效率為45~55%。  

4．我國燃料電池的發(fā)展?fàn)顩r

    我國的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所早開展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出次高潮。其間中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過了例行的航天環(huán)境模擬試驗(yàn)。1990年中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院PEMFC的研究任務(wù)，1993年開始進(jìn)行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個(gè)單電池組成的MCFC原理性電池。"八五"期間，中科院大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所 、清華大學(xué)等國內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與SOFC的有關(guān)研究。到90年代中期，由于國家科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)，中國進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。質(zhì)子交換膜燃料電池被列為重點(diǎn)，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在中國全面開展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，并組裝了多臺(tái)百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。  

    我國科學(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但是，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來看，與發(fā)達(dá)國家尚有較大差距。我國有關(guān)部門和專家對(duì)燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學(xué)會(huì)議上對(duì)我國燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年我國加強(qiáng)了在PEMFC方面的研究力度。  

    2000年大連化學(xué)物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車用用燃料電池的全部試驗(yàn)工作。北京富原公司也宣布，2001年將提供40kW的中巴燃料電池，并接受訂貨。科技部副部長徐冠華一年前在EVS16 屆大會(huì)上宣布，中國將在 2000 年裝出*燃料電池電動(dòng)車。我國燃料電池的研究工作已表明：1.中國的質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車的技術(shù)水平；2.大連化學(xué)物理研究所的質(zhì)子交換膜燃料電池是具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)成果；3.在燃料電池研究方面我國可以與世界發(fā)達(dá)國家進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，而且在*方面，我國可以并且有能力占有一定比例。  

    但是我國在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面還有較大的差距，目前仍處于研制階段。 

此前參與燃料電池研究的有關(guān)概況如下：

4.1. PEMFC的研究狀況

    我國早開展PEMFC研制工作的是長春應(yīng)用化學(xué)研究所，該所于1990年在中科院扶持下開始研究PEMFC，工作主要集中在催化劑、電極的制備工藝和甲醇外重整器的研制,已制造出100W PEMFC樣機(jī)。1994年又開展直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國CaseWesternReserve大學(xué)和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長期協(xié)作關(guān)系。  

    中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1993年開展了PEMFC的研究,在電極工藝和電池結(jié)構(gòu)方面做了許多工作，現(xiàn)已研制成工作面積為140cm2的單體電池，其輸出功率達(dá)0.35W /cm2。  
清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)院1993年開展了PEMFC的研究,研制的單體電池在0.7V時(shí)輸出電流密度為100mA/cm2，改進(jìn)石棉集流板的加工工藝，并提出列管式PEMFC的設(shè)計(jì)，該單位已與德國Karlsrube研究中心建立了一定的協(xié)作關(guān)系。
    天津大學(xué)于1994年在國家自然科學(xué)基金會(huì)資助下開展了PEMFC的研究，主要研究催化劑和電極的制備工藝。  
    復(fù)旦大學(xué)在90年代初開始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。  
    廈門大學(xué)近年來與香港大學(xué)和美國的CaseWesternReserve大學(xué)合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。  
    1994年，上海大學(xué)與北京石油大學(xué)合作研究PEMFC("八五"攻關(guān)項(xiàng)目)，主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的制備工藝。  
    北京理工大學(xué)于1995年在兵器工業(yè)部資助下開始了PEMFC的研究，目前單體電池的電流密度為150mA/cm2。  
    中國科學(xué)院工程熱物理研究所于1994年開始研究PEMFC，主營使用計(jì)算傳熱和計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)各種供氣、增濕、排熱和排水方案進(jìn)行比較，提出改進(jìn)的傳熱和傳質(zhì)方案。  
    天津電源研究所1997年開始PEMFC的研究,擬從國外引進(jìn)1.5kW的電池，在解析吸收*技術(shù)的基礎(chǔ)上開展研究。  
    華南理工大學(xué)于1997年初在廣東省佛山基金資助下開展了PEMFC的研究，與國家科委電動(dòng)車示范區(qū)建設(shè)相配合作了一定的研究工作。其天然氣催化轉(zhuǎn)化制一氧化碳和氫氣的技術(shù)現(xiàn)已申請(qǐng)國家發(fā)明專li。  
    中科院電工研究所近開展了電動(dòng)車用PEMFC系統(tǒng)工程和運(yùn)行模式研究，擬與有色金屬研究院合作研究PEMFC/光伏電池(制氫)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和從國外引進(jìn)PEMFC裝置。  
    1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進(jìn)行PEMFC的研制與開發(fā)，5kW的PEMFC樣機(jī)現(xiàn)已研制成功并開始接受訂貨。 

4.2. MCFC的研究簡(jiǎn)況

    國內(nèi)開展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設(shè)備研究所在80年代后期曾研究過MCFC，90年代初停止了這方面的研究工作。  

    1993年中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在中國科學(xué)院的資助下開始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池，其性能已達(dá)到80年代初的水平。  
    90年代初，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所也開始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽極材料等方面取得了很大進(jìn)展。  
    北京科技大學(xué)于90年代初在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下開展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質(zhì)的相互作用，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。  
    中國科學(xué)院上海冶金研究所近年來也開始了MCFC的研究，主要著重于研究氧化鎳陰極與熔融鹽的相互作用。  
    1995年上海交通大學(xué)與長慶油田合作開始了MCFC的研究，目標(biāo)是共同開發(fā)5kW～10kW的MCFC。  
    中國科學(xué)院電工研究所在"八五"期間，考察了國外MCFC示范電站的系統(tǒng)工程，調(diào)查了電站的運(yùn)行情況，現(xiàn)已開展了MCFC電站系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)。  

4.3. SOFC的研究簡(jiǎn)況

    早開展SOFC研究的是中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所他們?cè)?971年就開展了SOFC的研究，主要側(cè)重于SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究。80年代在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下又開始了SOFC的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單體SOFC結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。  

    吉林大學(xué)于1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開始對(duì)SOFC的電解質(zhì)、陽極和陰極材料等進(jìn)行研究,組裝成單體電池，通過了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計(jì)委和國家計(jì)委450萬元人民幣的資助，先后研究了電極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等,單體電池開路電壓達(dá)1.18V，電流密度400mA/cm2，4個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。  

    1991年中國科學(xué)院化工冶金研究所在中國科學(xué)院資助下開展了SOFC的研究，從研制材料著手,制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達(dá)0.09W/cm2～0.12W/cm2，電流密度為150mA/cm2～180mA/cm2，工作電壓為0.60V～0.65V。1994年該所從俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達(dá)1200h。他們?cè)诜治龆砹_斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。  

    中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1982年開始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)和"863"計(jì)劃的資助下開始了中溫SOFC的研究。一種是用納米氧化鋯作電解質(zhì)的SOFC，工作溫度約為450℃。另一種是用新型的質(zhì)子導(dǎo)體作電解質(zhì)的SOFC，已獲得接近理論電動(dòng)勢(shì)的開路電壓和200mA/cm2的電流密度。此外,他們正在研究基于多孔陶瓷支撐體的新一代SOFC。  

    清華大學(xué)在90年代初開展了SOFC的研究，他們利用緩沖溶液法及低溫合成環(huán)境調(diào)和性新工藝成功地合成了固體電解質(zhì)、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結(jié)電極材料的超細(xì)粉,并開展了平板型SOFC成型和燒結(jié)技術(shù)的研究,取得了良好效果。  

    華南理工大學(xué)于1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了SOFC的研究,組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料,大輸出功率為4mW/cm2，電流密度為17mA/cm2，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)140h，電池性能無明顯衰減。  

    中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在1994年開始SOFC研究，用超細(xì)氧化鋯粉在1100℃下燒結(jié)制成穩(wěn)定和致密的氧化鋯電解質(zhì)。該所從80年代初開始煤氣化熱解的研究，以提供燃料電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過程已進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段，正在鎮(zhèn)江市建立工業(yè)示范裝置。該所還開展了使煤氣化熱解的煤氣在高溫下脫硫除塵和甲醇脫氫生產(chǎn)合成氣的研究，合成氣中CO和H2的比例為1∶2，已有成套裝置出售。  

    中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1994年開展了SOFC的研究工作，在電極和電解質(zhì)材料的研究上取得了可喜的進(jìn)展。  

    中國科學(xué)院北京物理所于1995年在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，開展了用于SOFC的新型電解質(zhì)和電極材料的基礎(chǔ)性研究。  

5．國外燃料電池發(fā)展?fàn)顩r

    發(fā)達(dá)國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料電池的率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。  

5.1．磷酸型燃料電池(PAFC)

    受1973年世界性石油危機(jī)以及美國PAFC研發(fā)的影響，日本決定開發(fā)各種類型的燃料電池，PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）進(jìn)行開發(fā)。自1981年起，進(jìn)行了1000kW現(xiàn)場(chǎng)型PAFC發(fā)電裝置的研究和開發(fā)。1986年又開展了200kW現(xiàn)場(chǎng)性發(fā)電裝置的開發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。  

    富士電機(jī)公司是目前日本大的PAFC電池堆供應(yīng)商。截至1992年，該公司已向國內(nèi)外供應(yīng)了17套PAFC示范裝置，富士電機(jī)在1997年3月完成了分散型5MW設(shè)備的運(yùn)行研究。作為現(xiàn)場(chǎng)用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計(jì)88種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運(yùn)行情況，到1998年止有的已超過了目標(biāo)壽命4萬小時(shí)。  
 

表 現(xiàn)場(chǎng)用PAFC燃料電池的運(yùn)行情況

容量 臺(tái)數(shù) 累計(jì)運(yùn)行時(shí)間 長累計(jì) 長連續(xù) >1萬h >2萬h >3萬h 50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4 100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3 500kW 3 43437 16910 4214 3 0   0     東芝公司從70年代后半期開始，以分散型燃料電池為中心進(jìn)行開發(fā)以后，將分散電源用11MW機(jī)以及200kW機(jī)形成了系列化。11MW機(jī)是世界上大的燃料電池發(fā)電設(shè)備，從1989年開始在東京電力公司五井火電站內(nèi)建造，1991年3月初發(fā)電成功后，直到1996年5月進(jìn)行了5年多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過2萬小時(shí)，在額定運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率43.6%。在小型現(xiàn)場(chǎng)燃料電池領(lǐng)域，1990年東芝和美國IFC公司為使現(xiàn)場(chǎng)用燃料電池商業(yè)化，成立了ONSI公司，以后開始向*銷售現(xiàn)場(chǎng)型200kW設(shè)備"PC25"系列。PC25系列燃料電池從1991年末運(yùn)行，到1998年4月，共向世界銷售了174臺(tái)。其中安裝在美國某公司的一臺(tái)機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號(hào)機(jī)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相繼突破了4萬小時(shí)。從燃料電池的壽命和可靠性方面來看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間4萬h是燃料電池的長遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝ONSI已完成了正式商用機(jī)PC25C型的開發(fā)，早已投放市場(chǎng)。PC25C型作為21世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎(jiǎng)。從燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評(píng)價(jià)為具有高先進(jìn)性、可靠性以及*的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是$3000/kW，近期將推出的商業(yè)化PC25D型設(shè)備成本會(huì)降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質(zhì)量僅為14t。明年即2001年，我國就將迎來座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國座燃料電池發(fā)電站。  

    PAFC作為一種中低溫型（工作溫度180-210℃）燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無噪音等特點(diǎn)，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進(jìn)的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技術(shù)指標(biāo)。初開發(fā)PAFC是為了控制發(fā)電廠的峰谷用電平衡，近來則側(cè)重于作為向公寓、購物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場(chǎng)集中電力系統(tǒng)。  
 

表 ONSI公司PC25C型PAFC主要技術(shù)指標(biāo)

電力輸出 發(fā)電效率 燃料 質(zhì)量 排熱利用 環(huán)境狀況NOX 體積 200kW 40% 城市煤氣 27.3t 42% 10×10^-6   3×3×5.5 PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。

下圖為ONSI PC25C型電站：
 

5.2．質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

    的加拿大Ballard公司在PEMFC技術(shù)上領(lǐng)xian，現(xiàn)在它的應(yīng)用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司Ballard Generation System被認(rèn)為在開發(fā)、生產(chǎn)和市場(chǎng)化*質(zhì)子交換膜燃料電池上處于世界地位。Ballard Generation System 初產(chǎn)品是250kW燃料電池電站，其基本構(gòu)件是Ballard燃料電池，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發(fā)電。Ballard公司正和世界許多公司合作以使Ballard Fuel Cell 商業(yè)化。Ballard Fuel Cell 已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由Ballard Generation System，GPU International Inc.，Alstom SA 和 EBARA公司共同組建了Ballard Generation System，共同開發(fā)千瓦級(jí)以下的燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過5年的開發(fā)，座250kW發(fā)電廠于1997年8月成功發(fā)電，1999年9月送至Indiana Cinergy，經(jīng)過周密測(cè)試、評(píng)估，并提高了設(shè)計(jì)的性能、降低了成本，這導(dǎo)致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率，也是在歐洲的次測(cè)試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，緊接著，在2000年10月通過它的伙伴EBARA Ballard 將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開拓了市場(chǎng)。在不同地區(qū)進(jìn)行的測(cè)試將大大促進(jìn)燃料電池電站的商業(yè)化。個(gè)早期商業(yè)化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置，目前正在測(cè)試： 

下圖是安裝在柏林的250kW PEMFC燃料電池電站：

    在美國，Plug Power公司是大的質(zhì)子交換膜燃料電池開發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開發(fā)、制造適合于居民和汽車用經(jīng)濟(jì)型燃料電池系統(tǒng)。1997年，Plug Power 模塊個(gè)成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Α＝琍lug Power 公司開發(fā)出它的專li產(chǎn)品Plug Power 7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃?xì)獍l(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品，1999年2月，Plug Power 公司和GE MicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱GE HomeGen 7000，由 GE MicroGen 公司負(fù)責(zé)推廣。此產(chǎn)品將提供7kW的持續(xù)電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價(jià)為$1500/kW。他們預(yù)計(jì)5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價(jià)將降至$500/kW。假設(shè)有20萬戶家庭各安裝一個(gè)7kW的家用燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī)組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。  

    在Ballard公司的帶動(dòng)下，許多汽車制造商參加了燃料電池車輛的研制，例如：Chrysler (克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda (本田)、Nissan (尼桑)、Volkswagen AG(大眾)和Volvo(富豪)等，它們?cè)S多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時(shí)，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研制當(dāng)中，克萊斯勒公司近給Ballard公司注入4億5千萬加元用于開發(fā)燃料電池汽車，大大的促進(jìn)了PEMFC的發(fā)展。1997年，Toyota公司就制成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車，它由一個(gè)25kW的燃料電池和輔助干電池一起提供了全部 50kW的能量，高時(shí)速可以達(dá)到 125km/h，行程可達(dá)500km。目前這些大的汽車公司均有燃料電池開發(fā)計(jì)劃，雖然現(xiàn)在燃料電池汽車商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟，但幾家公司已確定了開始批量生產(chǎn)的時(shí)間表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年將年產(chǎn)40000輛燃料電池汽車。因而未來十年，極有可能達(dá)到100000輛燃料電池汽車。  

    PEMFC是一種新型、有遠(yuǎn)大前途的燃料電池，經(jīng)過從80年代初到現(xiàn)在的近20年的發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池起了翻天覆地的變化。這種變化從其膜電極的演變過程可見一斑。膜電極是PEMFC的電化學(xué)心臟，正是因?yàn)樗淖兓攀沟肞EMFC呈現(xiàn)了今天的蓬勃生機(jī)。早期的膜電極是直接將鉑黑與起防水、粘結(jié)作用的Tefion微粒混合后熱壓到質(zhì)子交換膜上制得的。Pt載量高達(dá)10mg/cm2。后來，為增加Pt的利用率，使用了Pt/C催化劑，但Pt的利用率仍非常低，直到80年代中期，PEMFC膜電極的Pt載量仍高達(dá)4mg/cm2。80年代中后期，美國Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）提出了一種新方法，采用Nafion質(zhì)子交換聚合物溶液浸漬Pt/C多孔氣體擴(kuò)散電極，再熱壓到質(zhì)子交換膜上形成膜電極。此法大大提高了Pt的利用率，將膜電極的載鉑量降到了0.4mg/cm2。1992年，LANL對(duì)該法進(jìn)行了改進(jìn)，使膜電極的Pt載量進(jìn)一步降低到0.13 mg/cm2。1995年印度電化學(xué)能量研究中心（CEER）采用噴涂浸漬法制得了Pt載量為0.1 mg/cm2的膜電極，性能良好。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)在LANL試驗(yàn)的一些單電池中，膜電極上鉑載量已降到0.05mg/cm2。膜電極上鉑載量的減少，直接可以使燃料電池的成本降低，這就為其商品化的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。  

5.3．熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

    50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非常快，它在電池材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)，但電池的工作壽命并不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為近期實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)商品化燃料電池電站的主要研究目標(biāo)，研制速度日益加快。現(xiàn)在MCFC的主要研制者集中在美國、日本和西歐等國家。預(yù)計(jì)2002年將商品化生產(chǎn)。  

    美國能源部（DOE）去年已撥給固定式燃料電池電站的研究費(fèi)用4420萬美元，而其中的2/3將用于MCFC的開發(fā)，1/3用于SOFC的開發(fā)。美國的MCFC技術(shù)開發(fā)一直主要由兩大公司承擔(dān)，ERC（Energy Research Corporation）（現(xiàn)為Fuel Cell Energy Inc.）和M-C Power公司。他們通過不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現(xiàn)場(chǎng)示范階段：ERC1996年已進(jìn)行了一套設(shè)于加州圣克拉拉的2MW的MCFC電站的實(shí)證試驗(yàn)，目前正在尋找3MW裝置試驗(yàn)的地點(diǎn)。ERC的MCFC燃料電池在電池內(nèi)部進(jìn)行無燃?xì)獾母馁|(zhì)，而不需要單獨(dú)設(shè)置的改質(zhì)器。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，ERC對(duì)電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將電池改成250kW單電池堆，而非原來的125kW堆，這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場(chǎng)地上，從而降低投資費(fèi)用。ERC預(yù)計(jì)將以$1200/kW的設(shè)備費(fèi)用提供3MW的裝置。這與小型燃?xì)鉁u輪發(fā)電裝置設(shè)備費(fèi)用$1000/kW接近。但小型燃?xì)獍l(fā)電效率僅為30%，并且有廢氣排放和噪聲問題。與此同時(shí)，美國M-C Power 公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進(jìn)行了250kW裝置的試驗(yàn)，現(xiàn)在計(jì)劃在同一地點(diǎn)試驗(yàn)改進(jìn)75kW裝置。M-C Power公司正在研制500kW模塊，計(jì)劃2002年開始生產(chǎn)。  

    日本對(duì)MCFC的研究，自1981年"月光計(jì)劃"時(shí)開始，1991年后轉(zhuǎn)為重點(diǎn)，每年在燃料電池上的費(fèi)用為12-15億美元，1990年政府追加2億美元，專門用于MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW，1986年為10kW。日本同時(shí)研究內(nèi)部轉(zhuǎn)化和外部轉(zhuǎn)化技術(shù)，1991年，30kW級(jí)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化MCFC試運(yùn)轉(zhuǎn)。1992年50-100kW級(jí)試運(yùn)轉(zhuǎn)。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個(gè)100kW、電極面積1m2，加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力發(fā)電廠安裝，預(yù)計(jì)以天然氣為燃料時(shí)，熱電效率大于45%，運(yùn)行壽命大于5000h。由三菱電機(jī)與美國ERC合作研制的內(nèi)重整30kW MCFC 已運(yùn)行了10000h。三洋公司也研制了30kW內(nèi)重整MCFC。目前，石川島播磨重工有世界上大面積的MCFC燃料電池堆，試驗(yàn)壽命已達(dá)13000h。日本為了促進(jìn)MCFC的開發(fā)研究，于1987年成立了MCFC研究協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)燃料電池堆運(yùn)轉(zhuǎn)、電廠外圍設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)等方面的研究，現(xiàn)在它已聯(lián)合了14個(gè)單位成為日本研究開發(fā)主力。  

    歐洲早在1989年就制定了1個(gè)Joule計(jì)劃，目標(biāo)是建立環(huán)境污染小、可分散安裝、功率為200MW的"第二代"電廠，包括MCFC、SOFC和PEMFC三種類型，它將任務(wù)分配到各國。進(jìn)行MCFC研究的主要有荷蘭、意大利、德國、丹麥和西班牙。荷蘭對(duì)MCFC的研究從1986年已經(jīng)開始，1989年已研制了1kW級(jí)電池堆，1992年對(duì)10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化型與1kW級(jí)內(nèi)部轉(zhuǎn)化型電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，1995年對(duì)煤制氣與天然氣為燃料的2個(gè)250kW系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。意大利于1986年開始執(zhí)行MCFC國家研究計(jì)劃，1992-1994年研制50-100kW電池堆，意大利Ansodo與IFC簽定了有關(guān)MCFC技術(shù)的協(xié)議，已安裝一套單電池（面積1m2）自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力為2-3MW，可擴(kuò)大到6-9MW。德國MBB公司于1992年完成10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究開發(fā)，在ERC協(xié)助下，于1992年-1994年進(jìn)行了100kW級(jí)與250kW級(jí)電池堆的制造與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。現(xiàn)在MBB公司擁有世界上大的280kW電池組體。  

    資料表明，MCFC與其他燃料電池比有著*優(yōu)點(diǎn)： 

a． 發(fā)電效率高 比PAFC的發(fā)電效率還高；
b． 不需要昂貴的白金作催化劑，制造成本低；
c． 可以用CO作燃料；
d． 由于MCFC工作溫度600-1000℃，排出的氣體可用來取暖，也可與汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電。若熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到80%；
e． 中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性 與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于45%時(shí)，MCFC發(fā)電系統(tǒng)成本低。與PAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但PAFC的燃料費(fèi)遠(yuǎn)比MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)，MCFC的經(jīng)濟(jì)性更為突出；
f． MCFC的結(jié)構(gòu)比PAFC簡(jiǎn)單。

5.4．固體氧化物燃料電池(SOFC)

    SOFC由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成。空氣中的氧在空氣極/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)產(chǎn)生電能。  

SOFC的特點(diǎn)如下：

    由于是高溫動(dòng)作（600-1000℃），通過設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過60%效率的發(fā)電。  

    由于氧離子是在電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。  

    由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒有腐蝕。動(dòng)作溫度高，可以進(jìn)行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。  

    與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，具有廣泛用途。  

    在固定電站領(lǐng)域，SOFC明顯比PEMFC有優(yōu)勢(shì)。SOFC很少需要對(duì)燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，而且，SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。下圖為西門子-西屋公司開發(fā)出的世界bi一臺(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，它于2000年5月安裝在美國加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%。未來的SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)到60-70%。  

    被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研制和開發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。美國是世界上早研究SOFC的國家，而美國的西屋電氣公司所起的作用尤為重要，現(xiàn)已成為在SOFC研究方面有的機(jī)構(gòu)。  

    早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在SOFC試驗(yàn)裝置上獲得電流，并指出烴類燃料在SOFC內(nèi)必須完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)基礎(chǔ)過程，為SOFC的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后10年間，該公司與OCR機(jī)構(gòu)協(xié)作，連接400個(gè)小圓筒型ZrO2-CaO電解質(zhì)，試制100W電池，但此形式不便供大規(guī)模發(fā)電裝置應(yīng)用。80年代后，為了開辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來的能源危機(jī)，SOFC研究得到蓬勃發(fā)展。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用于SOFC的電解質(zhì)及電極薄膜制備過程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級(jí)，電池性能得到明顯提高，從而揭開了SOFC的研究嶄新的一頁。80年代中后期，它開始向研究大功率SOFC電池堆發(fā)展。1986年，400W管式SOFC電池組在田納西州運(yùn)行成功。1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW級(jí)列管式SOFC發(fā)電機(jī)組，成功地進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)長達(dá) 5000h，標(biāo)志著SOFC研究從實(shí)驗(yàn)研究向商業(yè)發(fā)展。進(jìn)入90年代DOE機(jī)構(gòu)繼續(xù)投資給西屋電氣公司 6400余萬美元，旨在開發(fā)出高轉(zhuǎn)化率、2MW級(jí)的SOFC發(fā)電機(jī)組。1992年兩臺(tái)25kW管型SOFC分別在日本大阪、美國南加州進(jìn)行了幾千小時(shí)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。從1995年起，西屋電氣公司采用空氣電極作支撐管，取代了原先CaO穩(wěn)定的ZrO2支撐管，簡(jiǎn)化了SOFC的結(jié)構(gòu) ,使電池的功率密度提高了近3倍。該公司為荷蘭Utilies公司建造100kW管式SOFC系統(tǒng)，能量總利用率達(dá)到 75%，已經(jīng)正式投入使用。目前，Siemens Westinghouse 宣布有兩座250kW SOFC示范電廠很快將在挪威和加拿大的多倫多附近建成。下圖為西屋公司在荷蘭安裝的SOFC示范電廠，它可以提供110kW的電力和64kW的熱，發(fā)電效率達(dá)到46%，運(yùn)行14000h。 

    另外，美國的其它一些部門在SOFC方面也有一定的實(shí)力。位于匹茲堡的PPMF是SOFC技術(shù)商業(yè)化的重要生產(chǎn)基地，這里擁有完整的SOFC電池構(gòu)件加工、電池裝配和電池質(zhì)量檢測(cè)等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模大的SOFC技術(shù)研究開發(fā)中心。1990年，該中心為美國DOE制造了20kW級(jí)SOFC裝置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續(xù)運(yùn)行了1700多小時(shí)。與此同時(shí)，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關(guān)西電力公司提供了兩套25kW級(jí)SOFC試驗(yàn)裝置，其中一套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。另外美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室也研究開發(fā)了疊層波紋板式SOFC電池堆，并開發(fā)出適合于這種結(jié)構(gòu)材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的SOFC結(jié)構(gòu)。 

    在日本，SOFC研究是"月光計(jì)劃"的一部分。早在1972年，電子綜合技術(shù)研究所就開始研究SOFC技術(shù)，后來加入"月光計(jì)劃"研究與開發(fā)行列，1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆，并組成1.2kW發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年12月開始研制圓管式SOFC裝置，獲得了輸出功率為35W的單電池，當(dāng)電流密度為200mA/cm2時(shí)，電池電壓為0.78V，燃料利用率達(dá)到58%。1987年7月，電源開發(fā)公司與這兩家公司合作，開發(fā)出1kW圓管式SOFC電池堆，并連續(xù)試運(yùn)行達(dá)1000h，大輸出功率為1.3kW。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國西屋電氣公司引進(jìn)3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。從1989年起，東京煤氣公司還著手開發(fā)大面積平板式SOFC裝置，1992年6月完成了100W平板式SOFC裝置，該電池的有效面積達(dá)400cm2。現(xiàn)Fuji與Sanyo公司開發(fā)的平板式SOFC功率已達(dá)到千瓦級(jí)。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1990年起對(duì)疊層波紋板式SOFC系統(tǒng)進(jìn)行研究和綜合評(píng)價(jià)，研制出406W試驗(yàn)裝置，該裝置的單電池有效面積達(dá)到131cm2。  

    在歐洲早在70年代，聯(lián)邦德國海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。80年代后期，在美國和日本的影響下，歐共體積極推動(dòng)歐洲的SOFC的商業(yè)化發(fā)展。德國的Siemens、Domier GmbH及ABB研究公司致力于開發(fā)千瓦級(jí)平板式SOFC發(fā)電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心 (ECN)合作開發(fā)開板式SOFC單電池，有效電極面積為67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦級(jí)SOFC發(fā)電裝置，這種電池為金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在800℃下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，效果良好。現(xiàn)正考慮將其制成25～100kW級(jí)SOFC發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)應(yīng)用。 

表 燃料電池的分類及技術(shù)比較

燃料電池 電解質(zhì) 工作溫度 電化學(xué)反應(yīng)式 PEMFC 固體有機(jī)膜 60-100℃ 陽極：H2→2H++2e
陰極：1/2O2+2H+ +2e →H2O PAFC H3PO4 175-200℃ 陽極：H2→2H+ +2e
陰極：1/2O2+ 2H+ +2e→H2O MCFC （Li、Na、K）2CO3 600-1000℃ 陽極：H2+CO32－→H2O+CO2+2e
陰極：1/2O2+ CO2+2e→CO32－ SOFC YSZ（用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2） 600-1000℃

陽極：H2+O2－→H2O+2e
陰極：1/2O2+2e→O2－ 6．燃料資源評(píng)估

    燃料電池運(yùn)行時(shí)必須使用流動(dòng)性好的氣體燃料。低溫燃料電池要用氫氣，高溫燃料電池可以直接使用天然氣、煤氣。這種燃料的前景如何呢？我國的天然氣儲(chǔ)量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲(chǔ)量為1.9萬億m3，專家認(rèn)為我國已探明天然氣儲(chǔ)量為30萬億m3。我國還將利用豐富的鄰國天然氣資源，俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量為38.6萬億m3，可向我國年供氣200~300億m3 ；俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量3.13萬億m3 ，可向我國年供氣100~200億m3；俄遠(yuǎn)東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲(chǔ)量1萬億m3，可向我國東北年供氣100億m3 以上。中亞地區(qū)的哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦三國探明的天然氣儲(chǔ)量6.77萬億m3，可向外供氣300億m3。我國規(guī)劃在2010年以前鋪設(shè)天然氣管線9000km，屆時(shí)有望在全國形成"兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫"的格局，形成可靠的供氣系統(tǒng)。其中的兩縱是南北的輸氣干線，即薩哈林島--大慶--沈陽干線和伊爾庫茨克--北京--日照--上海輸氣干線。目前我國的生產(chǎn)能力約為300億m3/a， 2010年為700億m3，2020年為1000～1100億m3。天然氣主要成分為CH4（占90%左右），熱值高（每立方米天然氣熱值為8600～9500千卡），便于運(yùn)輸，在3000公里的距離內(nèi)運(yùn)用管道輸送都是十經(jīng)濟(jì)的。  

    我國還可利用的液化天然氣（LNG）資源也是十分可觀的，可向中國立即提供LNG的國家有印度尼西亞、馬來西亞、卡塔爾等國。  

    我國的煤層氣也十分豐富，陸上深埋2000米以內(nèi)淺的煤層氣資源量為32~35萬億m3 ，多于陸上天然氣資源量（30萬億m3），位于世界前列。  

    另外作為后續(xù)資源，我國已發(fā)現(xiàn)在南海、東海深處有大量的天然氣水合物，其資源量為700億噸石油當(dāng)量。目前已有多個(gè)科研機(jī)構(gòu)正在研究其開采利用的技術(shù)。  

    半個(gè)世紀(jì)以來，世界大多數(shù)國家時(shí)早以完成了由煤炭時(shí)代向石油時(shí)代的轉(zhuǎn)換，正在向石油、天然氣時(shí)代過度。如1950年在世界能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占的比例為57.5%，而到1996年則下降為26.9%，天然氣占23.5% 石油占39% 兩者共占63%。能源界預(yù)測(cè)目前的消費(fèi)量，石油只能再用20年，而天然氣則可用100年，為此稱21世紀(jì)是"天然氣世紀(jì)"。我國的能源工業(yè)也必將跟上世界能源消費(fèi)潮流。  

    另外由于環(huán)保的需要和IGCC技術(shù)的推動(dòng)，煤的大型氣化裝置技術(shù)已經(jīng)過關(guān)。煤炭部門的有關(guān)專家介紹，目前的技術(shù)*可以把煤轉(zhuǎn)換為氫氣，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%，供給燃料電池作燃料，其效率要比常規(guī)熱動(dòng)力裝置效率高得多。  

    我國有大量的生物資源（薪材3000萬噸、秸桿45000萬噸、稻殼1500萬噸、垃圾1.6億噸等），這種密度低分散度高資源可以轉(zhuǎn)換成沼氣或人工煤氣或甲醇供分散的、小型的燃料電池使用。如廣東番禺正在建設(shè)使用養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣的燃料電池電站。  

    我國在合成氨工業(yè)中，氫的年回收量可達(dá)到14億m3；在氯堿工業(yè)中有0.37億m3的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計(jì)可達(dá)到15億m3以上。  

    從長遠(yuǎn)發(fā)展看，小型、、靈活、分散的PEMFC、PAFC發(fā)電與集中高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)均是有燃料保證的。  

7．燃料電池發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性

    燃料電池是一種正在逐步*的能源利用方式。其投資正在不斷的降低，目前PEMFC的國外商業(yè)價(jià)格為$1500/kW，PAFC的價(jià)格為$3000/kW。國內(nèi)富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價(jià)格為10000元/kW。其他燃料電池國內(nèi)暫無商業(yè)產(chǎn)品。  

    燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應(yīng)將長距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來計(jì)算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為1.3~1.5萬元。發(fā)電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上，按目前國內(nèi)天然氣低市價(jià)（產(chǎn)地市價(jià)人民幣1元/m3）計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過70000h以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面積大，環(huán)境污染重的問題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷*，造價(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)后，其造價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來這種發(fā)電方式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。  

    近上一些學(xué)者和組織認(rèn)為：大容量、高參數(shù)機(jī)組發(fā)電，超高壓、大電網(wǎng)遠(yuǎn)距離送電的集中供電是一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家過去走過的道路。目前的情況正在發(fā)生變化，較分散的發(fā)電站的出現(xiàn)，再加上對(duì)改善能源投資的選擇，傳統(tǒng)的觀念變得過時(shí)了。1999年在布魯塞爾成立的熱電聯(lián)產(chǎn)（ICA）組織聲稱："其實(shí)旨是推動(dòng)世界范圍內(nèi)的清潔、、分散的電力生產(chǎn)，它預(yù)言這是下一個(gè)世紀(jì)電力工業(yè)的方向" 。隨著小型分散的熱電廠、燃料電池發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等的出現(xiàn)和增加，當(dāng)今的電力系統(tǒng)將發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變。超大型的電站與分散微型電站的結(jié)合可以減少在輸配電線路上的投資，會(huì)使得電力系統(tǒng)更安全更經(jīng)濟(jì)。一個(gè)目前擁有50個(gè)發(fā)電廠的電力公司在未來若干年內(nèi)會(huì)有幾千個(gè)甚至幾萬個(gè)微型電站與之相連。這種電力網(wǎng)絡(luò)類似于目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，少數(shù)的幾臺(tái)主機(jī)與眾多的PC機(jī)相連。這種電網(wǎng)會(huì)使得各種能源得到更好利用和配置，這種變化將要求未來的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式有一個(gè)重大的變革。  

    將來的電網(wǎng)系統(tǒng)可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料電池共存狀態(tài)。因?yàn)榇箅娋W(wǎng)有其*性的同時(shí)，也存在著缺陷，如高電壓長距離輸電將有6-8%的損失。而分散的中小型燃料電池電站可以在許多地點(diǎn)建立，可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為3%），同時(shí)也為電網(wǎng)調(diào)峰做出了貢獻(xiàn)。中小型分散式電力系統(tǒng)將靈活地適應(yīng)季節(jié)性和地域性的電力需求變化。根據(jù)專家計(jì)算，一條直徑為0.91米的輸氫管道用于950-1600公里輸氫其所輸能量約相當(dāng)于50萬伏高壓輸電線路輸送能量的的10倍以上，而輸氫管道所需的建設(shè)費(fèi)用僅為建設(shè)高壓輸電線路的1/2-1/4，日常運(yùn)行維護(hù)也比輸電線路低得多。在美國這樣的電力工業(yè)已很發(fā)達(dá)的國家，將來對(duì)燃料電池的市場(chǎng)需要約為17000兆瓦以上，即中小型分散配置，有其*的*性。我國也將是這樣。  

8．對(duì)電力系統(tǒng)的影響展望

    被稱為第四代發(fā)電方式的燃料電池，由于具有燃料利用效率可達(dá)80%、不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）、容量可根據(jù)需要而定，所以受到了各方面的極大關(guān)注。各國家的政府都在這方面增加研發(fā)資金，推動(dòng)其商業(yè)化的進(jìn)程。在近年它首先受到了交通界的重視，作為交通動(dòng)力裝置已被搬上汽車、艦船，幾乎同時(shí)它受到了國外電力系統(tǒng)的重視。PAFC發(fā)電裝置已有數(shù)萬套進(jìn)入賓館、家庭運(yùn)行，PAFC已有了4萬多小時(shí)的運(yùn)行記錄。  

    我國稀土資源豐富，發(fā)展MCFC和SOFC技術(shù)具有十分有利的條件。以天然氣和凈化煤氣為燃料的MCFC和SOFC發(fā)電效率高達(dá)55%～65%，而且還可提供余熱用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，是一種優(yōu)良的區(qū)域性供電電站。熱電聯(lián)供時(shí),燃料利用率高達(dá)80%以上。專家們認(rèn)為它與各種大型中心電站的關(guān)系，頗類似于個(gè)人電腦與大型中心計(jì)算機(jī)的關(guān)系，二者互為補(bǔ)充。二十一世紀(jì)，這種區(qū)域性、環(huán)境友好的、的發(fā)電技術(shù)有可能發(fā)展成為一種主要的供電方式。  

    近日本提出2010年普及燃料電池的應(yīng)用，并向發(fā)達(dá)歐美國家建議制定安全基準(zhǔn)和通用規(guī)格。隨著其生產(chǎn)成本的降低，燃料電池也將在我國獲得快速的發(fā)展，它將對(duì)傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成有利的挑戰(zhàn)。展望其對(duì)電力系統(tǒng)的影響如下：  

8.1 調(diào)峰能力增加

    應(yīng)用氫氣做燃料PEMFC已經(jīng)商業(yè)化，在國外容量為3kW、5kW、7kW等熱電聯(lián)用的燃料電池正在*地進(jìn)入家庭，數(shù)百kW的燃料電池正在*地進(jìn)入旅館、飯店商廈等場(chǎng)所。這些電力裝置同小型光伏發(fā)電裝置一樣可以獨(dú)立發(fā)電，也可與電力網(wǎng)相連。為了獲得氫燃料，目前在非純氫燃料電池前均加了燃料改質(zhì)器。據(jù)專家介紹，碳納米管儲(chǔ)氫技術(shù)已獲得突破，隨著其商業(yè)化的發(fā)展，實(shí)行家庭發(fā)電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便，購一罐氫氣可以發(fā)電數(shù)月（3kg氫氣能量可以使一般轎車行駛500km）。在有煤氣或天然氣管道的地方，打開氣閥就可以發(fā)電和供熱水。  

    可以使用天然氣、煤氣為燃料的MCFC、SOFC發(fā)電能力為數(shù)千kW發(fā)電裝置將座落于較大的公用場(chǎng)所，用管道向燃料電池提供燃?xì)鉃楦浇挠脩籼峁╇娏蜔崮埽钩鞘械陌l(fā)電不再污染環(huán)境。成千上萬的燃料電池發(fā)電裝置服役，必將使得電網(wǎng)的調(diào)峰能力大大增強(qiáng)，常規(guī)的火電廠，由于存在有較大污染，因此讓其遠(yuǎn)離城區(qū)帶基本負(fù)荷。在缺乏調(diào)峰手段和缺乏調(diào)峰電量的東北電網(wǎng)加大燃料電池的入網(wǎng)量，必將大大地提高未來電網(wǎng)的調(diào)峰能力。  

8.2 節(jié)約配電網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用

    我國有許多偏遠(yuǎn)的山村和海島，遠(yuǎn)離電網(wǎng)或處在電網(wǎng)的末端，用電量不大。從商業(yè)角度考慮，架設(shè)高電壓等級(jí)的線路是不合算的，但不架設(shè)又難以實(shí)現(xiàn)村村通電的目標(biāo)。有了燃料電池，用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)氣體為燃料，再配合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、太陽能等，就可以滿足當(dāng)?shù)氐拈L期的電能需求。這樣可以使投資更加合理，又提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。  

8.3 提高電網(wǎng)的安全性

    目前電網(wǎng)均采用高壓長距離輸電的方式使偏僻山區(qū)的水電和坑口、路口以及海口處的火電輸送到負(fù)荷中心地帶。中外近年多次電網(wǎng)事故證明，在地震、水災(zāi)、暴風(fēng)、冰雪、雷電等自然災(zāi)害面前，這種系統(tǒng)往往是十分脆弱的。而星羅棋布的燃料電池加入到電網(wǎng)中供電，將會(huì)大大提高電網(wǎng)的安全性。在某個(gè)遠(yuǎn)距離的基本負(fù)荷電源跳閘時(shí)，燃料電池可以對(duì)電網(wǎng)起到一定的支承作用，保證重要用戶的電能需求。隨著MCFC、SOFC技術(shù)的突破、天然氣管線的鋪通和大型煤氣化技術(shù)的解決，屆時(shí)人們會(huì)看到，對(duì)于大規(guī)模的應(yīng)用化石能源的電力系統(tǒng)來說，變長距離輸電為長距離輸氣，應(yīng)用大中小相結(jié)合的各種燃料電池靠近負(fù)荷供電供熱會(huì)更經(jīng)濟(jì)、更安全。  

8.4 電網(wǎng)管理

    燃料電池發(fā)電將增加管理的復(fù)雜性。一是燃料電池發(fā)的均是直流電，需變頻后入網(wǎng)，如此將需要對(duì)諧波進(jìn)行控制；二是價(jià)格管理，每一個(gè)小的系統(tǒng)與電網(wǎng)均有電量交換，需要進(jìn)行合理的價(jià)格管理，這與其他新能源入網(wǎng)問題一樣（如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能發(fā)電），入網(wǎng)電量小，管理量不小。  

9．結(jié)束語

    人類自從19世紀(jì)以來，經(jīng)歷了三次能源結(jié)構(gòu)革命。次能源革命發(fā)生在19世紀(jì)次產(chǎn)業(yè)革命以后，由于蒸汽機(jī)的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)的能源--柴薪已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，于是各國的能源需求開始轉(zhuǎn)向以煤炭為主；第二次能源革命是在20世紀(jì)初開始的，當(dāng)時(shí)不斷發(fā)展的電力、鋼鐵工業(yè)帶動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的推廣，此時(shí)石油逐漸取代了煤炭的地位；第三次能源革命在20世紀(jì)70年代初開始的石油危機(jī)，它推動(dòng)了新能源的發(fā)展和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。專家認(rèn)為能源革命時(shí)間正在縮短，新的能源結(jié)構(gòu)革命正在悄悄地來臨，其動(dòng)力來自于目前的能源利用方式與環(huán)境的矛盾日益尖銳、傳統(tǒng)的能源利用方式與能源資源量的矛盾日益尖銳。新的能源資源在當(dāng)前已占有相當(dāng)?shù)姆蓊~（世界范圍內(nèi)石油占總能源消費(fèi)的36%，天然氣已占到23%），、潔凈、便捷的能源利用方式--燃料電池開始進(jìn)入商業(yè)化階段。  

    我國的煤炭資源比較豐富，目前在我們的能源結(jié)構(gòu)中約占72%。為了解決現(xiàn)代化巨大的電能需求與環(huán)境的尖銳矛盾，我國一方面加快了潔凈化用煤的技術(shù)(煤的整體氣化)發(fā)展，一方面在迅速地增大天然氣應(yīng)用在能源中的比例。氣體能源的發(fā)展為燃料電池在我國廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了*的條件。建議如下：  

    遼寧地區(qū)能源資源單一，從長遠(yuǎn)看只能靠煤電解決本地區(qū)的電能需求。但是傳統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換方式與本地的環(huán)境矛盾日益尖銳，發(fā)展使用氣體能源燃料電池發(fā)電可以很好地解決本地電能需求且不污染環(huán)境，也有利于解決本地十分棘手的電網(wǎng)調(diào)峰問題。燃料電池發(fā)電不僅是可能的而且是可行的，可以做成小型的電池堆或用其建成大型的電站。應(yīng)從現(xiàn)在起加強(qiáng)燃料電池發(fā)電的研究工作，立足于用高技術(shù)改造東北電網(wǎng)。  

    鑒于我國對(duì)電站用燃料電池的研究還比較落后，我們應(yīng)走風(fēng)力發(fā)電的路線，采用高起點(diǎn)起步，整機(jī)引進(jìn)國外的燃料電池發(fā)電設(shè)備，可以先引進(jìn)規(guī)模較小的電池堆。這樣可以使我們更快地掌握高技術(shù)，有利于燃料電池發(fā)電在我省更快的發(fā)展。  

    大連化學(xué)物理研究所走在了我國在燃料電池研究的前面，而且對(duì)燃料電池的種類研究的也比較全面，遼寧省有很好的燃料電池研究生產(chǎn)條件，我國有大量的燃料電池所用的稀土資源。應(yīng)很好地利用這一資源，在開發(fā)燃料電池應(yīng)用市場(chǎng)的同時(shí)，參與燃料電池的生產(chǎn)，如同內(nèi)蒙古和新疆風(fēng)電產(chǎn)業(yè)一樣，既是產(chǎn)品的使用者也是生產(chǎn)者，搶占燃料電池這一高技術(shù)的制高點(diǎn)。